JP2023178560A - Method for producing ruthenium thin film or ruthenium compound thin film by chemical vapor deposition process, and ruthenium thin film or ruthenium compound thin film - Google Patents

Method for producing ruthenium thin film or ruthenium compound thin film by chemical vapor deposition process, and ruthenium thin film or ruthenium compound thin film Download PDF

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Abstract

To provide a chemical vapor deposition process that makes it possible to form a high-quality ruthenium thin film or the like while suppressing the oxidation of a substrate.SOLUTION: The present invention relates to a method for producing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film by a chemical vapor deposition process, where the ruthenium thin film or the ruthenium compound thin film is formed by reacting an organic ruthenium compound with a reaction gas on a substrate. According to the present invention, the chemical vapor deposition process comprises: a first film formation step for using a non-oxidizing gas as a reaction gas; and a second film formation step for forming a film by using an oxidizing gas as a reaction gas after forming the film in the first film formation step. In addition, as the organic ruthenium compound serving as a precursor, any one among predetermined organic ruthenium compounds α, β, and γ containing a carbonyl ligand is used.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、化学蒸着法(化学気相蒸着法(CVD法)、原子層蒸着法(ALD法))によりルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を製造する方法に関する。詳しくは、所定の有機ルテニウム化合物を適用する化学蒸着方法であって、薄膜の低抵抗化を図ると共に成膜効率に優れる方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film by a chemical vapor deposition method (chemical vapor deposition method (CVD method), atomic layer deposition method (ALD method)). Specifically, the present invention relates to a chemical vapor deposition method using a predetermined organic ruthenium compound, which achieves low resistance of a thin film and is excellent in film formation efficiency.

ルテニウム又はルテニウム化合物からなる薄膜(以下、「ルテニウム薄膜等」或いは単に「薄膜」と称する)は、DRAM、FERAM等の半導体デバイスの配線・電極材料としての利用が期待されている。この傾向は、最近の半導体デバイスの超小型化に伴う配線の微細化に伴ってより顕著となっている。半導体素子の配線材料は、これまで銅の適用が主であるが、10nm級の微細な半導体素子の配線においては、配線幅が銅の電子の平均自由行程(約38.7nm)より小さい。そのため、かかる微細な配線に銅薄膜を適用すると、平均自由行程に比例する表面散乱及び粒界散乱による抵抗係数が増大し配線の抵抗値(比抵抗)が上昇する。これに対して、ルテニウムの電子の平均自由行程は10.8nmと銅よりも非常に短いため、表面散乱及び粒界散乱による比抵抗の上昇を抑制できる。また、ルテニウムは、銅(融点1085℃)よりも融点が高い(融点2250℃)高融点金属であり、高い耐エレクトロマイグレーション性を有する。これらから配線材料としてのルテニウムは、微細配線の低抵抗化を図ると共に配線の長寿命化が期待でき、多くの利点を有する。 Thin films made of ruthenium or ruthenium compounds (hereinafter referred to as "ruthenium thin films, etc." or simply "thin films") are expected to be used as wiring and electrode materials for semiconductor devices such as DRAMs and FERAMs. This tendency has become more pronounced as wiring becomes finer due to the recent miniaturization of semiconductor devices. Until now, copper has been mainly used as a wiring material for semiconductor devices, but in the wiring of fine semiconductor devices of 10 nm class, the wiring width is smaller than the mean free path of electrons in copper (approximately 38.7 nm). Therefore, when a copper thin film is applied to such fine wiring, the resistance coefficient due to surface scattering and grain boundary scattering, which is proportional to the mean free path, increases and the resistance value (specific resistance) of the wiring increases. On the other hand, since the mean free path of electrons in ruthenium is 10.8 nm, which is much shorter than that in copper, an increase in resistivity due to surface scattering and grain boundary scattering can be suppressed. Further, ruthenium is a high melting point metal (melting point 2250° C.) higher than copper (melting point 1085° C.) and has high electromigration resistance. For these reasons, ruthenium as a wiring material has many advantages, such as lowering the resistance of fine wiring and prolonging the life of the wiring.

ルテニウム薄膜等の製造法としては、CVD法(化学気相蒸着法)、ALD法(原子層蒸着法)といった化学蒸着法が適用されている。そして、微細化が進む半導体デバイスの配線・電極を構成するルテニウム薄膜等には緻密で高いアスペクト比を有する構造が要求されている。こうした薄膜の微細構造の制御に対してはALD法が特に有用である。そして、化学蒸着法によりルテニウム薄膜等を製造するための原料(プリカーサ)として、これまで多くの有機ルテニウム化合物が知られている。 Chemical vapor deposition methods such as CVD (chemical vapor deposition) and ALD (atomic layer deposition) are used to manufacture ruthenium thin films and the like. Ruthenium thin films and the like constituting the wiring and electrodes of semiconductor devices, which are becoming increasingly finer, are required to have a dense structure with a high aspect ratio. The ALD method is particularly useful for controlling the fine structure of such thin films. Many organic ruthenium compounds have been known as raw materials (precursors) for producing ruthenium thin films and the like by chemical vapor deposition.

プリカーサとなる有機ルテニウム化合物は、ルテニウム薄膜等の特性や成膜の効率等に大きな影響を及ぼすことから、その検討例は多い。そして、有機ルテニウム化合物に求められる特性も多岐にわたる。古くは取扱い性や成膜温度の低温化のため、常温で液体であることや蒸気圧が高いこと等が検討の主題事項となっており、それらの課題に対応した有機ルテニウム化合物が公知となった。例えば、特許文献1に記載の化1に示すビス(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(II)がある。 Organic ruthenium compounds, which serve as precursors, have a large impact on the properties of ruthenium thin films, film formation efficiency, etc., and therefore there are many examples of their use. Furthermore, the characteristics required of organic ruthenium compounds are wide-ranging. In the past, issues such as being a liquid at room temperature and having a high vapor pressure were considered for ease of handling and lowering the film-forming temperature, and organic ruthenium compounds that address these issues have become publicly known. Ta. For example, there is bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium (II) shown in Chemical Formula 1 described in Patent Document 1.

Figure 2023178560000002
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また、近年ではプリカーサとなる有機ルテニウム化合物について、反応ガスの選択範囲の拡大が要求されている。化学蒸着法においては、気化した有機ルテニウム化合物と共に反応ガスを反応器内に導入するのが一般的である。有機ルテニウム化合物は、加熱のみで分解してルテニウム薄膜等を析出させることも可能であるが、その場合は分解速度に乏しく効率的な成膜が望めない。そこで、有機ルテニウム化合物の分解を促進するために反応ガスが導入される。上記したビス(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(II)等の古くから知られる有機ルテニウム化合物は、酸素やオゾン等の酸化性ガスを反応ガスとする必要がある。しかし、酸化性ガスは、基板に酸化ダメージを与える要因となる。基板の材質としては様々あるが、特に、Cu、W、TiN等は比較的酸化し易い。そして、基板の酸化によるダメージは、それ自体が好ましいものではないが、生成した酸化物が薄膜の特性を低下させることもある。 Furthermore, in recent years, there has been a demand for expanding the selection range of reaction gases for organic ruthenium compounds that serve as precursors. In the chemical vapor deposition method, a reaction gas is generally introduced into a reactor together with a vaporized organic ruthenium compound. Organic ruthenium compounds can be decomposed by heating alone to deposit a ruthenium thin film, but in that case, the decomposition rate is poor and efficient film formation cannot be expected. Therefore, a reactive gas is introduced to promote the decomposition of the organic ruthenium compound. Organic ruthenium compounds that have been known for a long time, such as the above-mentioned bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium (II), require an oxidizing gas such as oxygen or ozone to be used as a reaction gas. However, the oxidizing gas causes oxidative damage to the substrate. Although there are various materials for the substrate, Cu, W, TiN, etc. are particularly easy to oxidize. Although damage to the substrate due to oxidation is not itself desirable, the generated oxides may deteriorate the properties of the thin film.

そのため、プリカーサに対する最近の要求としては、水素やアンモニア等の非酸化性ガスを反応ガスとしても分解可能な有機ルテニウム化合物を適用することが求められている。本願出願人は、こうした要求に応えることができる有機ルテニウム化合物を複数開発している。例えば、特許文献2には下記化2のジカルボニル-ビス(5-メチル-2,4-ヘキサンジケトナト)ルテニウム(II)が、特許文献3には一例として下記化3のヘキサカルボニル[μ-[(1,2-η)-3-メチル-N-(1-メチルプロピル)-1-ブテン-1-アミナト-κC,κN:κN]]ジルテニウム(Ru-Ru)が、更に、特許文献4、5には一例として下記化3の(η-メチレン-1,3-プロパンジイル)トリカルボニルルテニウムが記載されている。 Therefore, recent demands for precursors include the use of organic ruthenium compounds that can be decomposed using non-oxidizing gases such as hydrogen and ammonia as reaction gases. The applicant has developed multiple organic ruthenium compounds that can meet these demands. For example, in Patent Document 2, dicarbonyl-bis(5-methyl-2,4-hexanediketonato)ruthenium (II) shown below is listed as an example, and in Patent Document 3, as an example, hexacarbonyl [μ- [(1,2-η)-3-methyl-N-(1-methylpropyl)-1-butene-1-aminato-κC 2 ,κN 1 :κN 1 ]] diruthenium (Ru-Ru) further contains , Patent Documents 4 and 5 describe (η 4 -methylene-1,3-propanediyl)tricarbonylruthenium shown below as an example.

Figure 2023178560000003
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Figure 2023178560000004
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Figure 2023178560000005
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特開2000-281694号公報Japanese Patent Application Publication No. 2000-281694 特許第4746141号明細書Patent No. 4746141 specification 特許第6027657号明細書Patent No. 6027657 specification 国際公開WO2021/153639号公報International Publication WO2021/153639 Publication 特開2020-090689号公報Japanese Patent Application Publication No. 2020-090689

上記で例示した化2~化4の有機ルテニウム化合物は、水素等の非酸化性ガスを反応ガスとしてルテニウムを析出することが可能であり、基板の酸化は抑制される。しかしながら、本発明者等の検討によれば、これらの有機ルテニウム化合物で非酸化性ガスにより形成したルテニウム薄膜等は、比抵抗が十分に低減されていないことがある。この点、これらの有機ルテニウム化合物は、酸化性ガスによる成膜も可能であり、場合によっては酸化性ガスによるルテニウム薄膜等の方が低抵抗となることがある。 The organic ruthenium compounds of Chemical Formulas 2 to 4 exemplified above are capable of depositing ruthenium using a non-oxidizing gas such as hydrogen as a reaction gas, and oxidation of the substrate is suppressed. However, according to studies by the present inventors, the resistivity of ruthenium thin films formed using non-oxidizing gases using these organic ruthenium compounds may not be sufficiently reduced. In this respect, these organic ruthenium compounds can be formed into films using oxidizing gas, and in some cases, a ruthenium thin film formed using oxidizing gas may have a lower resistance.

また、非酸化性ガスを反応ガスとするルテニウム薄膜等の成膜においては、成膜速度が低い傾向がある。これは、水素等による非酸化性雰囲気は本来的に反応性が乏しいことが要因である。上記した化2~化5の有機ルテニウム化合物は、水素等の非酸化性ガスでの成膜を可能としているが、これは従来の有機ルテニウム化合物等との対比における利点である。反応性の高い酸化性ガス雰囲気での成膜と比較すると、非酸化性ガスは成膜速度に劣ることとなる。薄膜形成のハイスループット化を目指すのであれば、成膜速度の改善も重要である。 Furthermore, when forming a ruthenium thin film or the like using a non-oxidizing gas as a reaction gas, the film forming rate tends to be low. This is because a non-oxidizing atmosphere such as hydrogen is inherently poor in reactivity. The above-described organic ruthenium compounds of Chemicals 2 to 5 enable film formation using non-oxidizing gas such as hydrogen, which is an advantage over conventional organic ruthenium compounds. Compared to film formation in a highly reactive oxidizing gas atmosphere, non-oxidizing gas is inferior in film formation rate. If we aim to achieve high throughput thin film formation, it is also important to improve the film formation rate.

本願発明は、上記のような背景のもとになされたものである。本発明は、基板の酸化を抑制しつつ、高品位のルテニウム薄膜等を成膜する化学蒸着方法に関する。この目的において、本発明は、プリカーサとなる有機ルテニウム化合物として非酸化性ガスによる成膜可能な有機ルテニウム化合物を適用したときの薄膜の比抵抗上昇の要因を明らかにしつつ、これを回避する化学蒸着方法を提案するものである。 The present invention was made against the above background. The present invention relates to a chemical vapor deposition method for forming a high-quality ruthenium thin film or the like while suppressing oxidation of a substrate. For this purpose, the present invention aims to clarify the factors that increase the specific resistance of a thin film when an organic ruthenium compound that can be formed into a film using a non-oxidizing gas is used as a precursor, and to use chemical vapor deposition to avoid this. This paper proposes a method.

上記課題解決のため、本発明者等は、まず非酸化性ガスにより成膜されたルテニウム薄膜等の比抵抗が高くなる要因について検討し、その結果として炭素(C)等の不純物元素の混入に想到した。上述した非酸化性ガス雰囲気でルテニウム薄膜等の成膜を可能とする有機ルテニウム化合物は、配位子としてカルボニル配位子(CO)を含むものが多い。カルボニル配位子は、ルテニウムとの結合性が高い一方で、有機ルテニウム化合物の分解時にガスとして放出されやすいことから、本来は好適な配位子である。しかし、反応性が低い非酸化性ガス雰囲気においては、反応系からの分解成分の放出に遅延が生じて薄膜に不純物として混入されることがある。これが薄膜の比抵抗上昇の要因となっていると考察される。これに対し、酸化性ガス雰囲気にあっては、その良好な反応性により、有機ルテニウム化合物の分解成分は速やかに系外に放出され不純物の混入は少ない。但し、これまで述べたように、酸化性ガスは基板の酸化の要因にはなり得る。 In order to solve the above problem, the present inventors first investigated the factors that increase the specific resistance of ruthenium thin films formed using non-oxidizing gas, and found that the incorporation of impurity elements such as carbon (C) I came up with the idea. Many of the organic ruthenium compounds that make it possible to form a ruthenium thin film or the like in the above-mentioned non-oxidizing gas atmosphere contain a carbonyl ligand (CO) as a ligand. Carbonyl ligands have a high bonding property with ruthenium, but are easily released as gas when the organic ruthenium compound is decomposed, so they are originally suitable ligands. However, in a non-oxidizing gas atmosphere with low reactivity, the release of decomposed components from the reaction system may be delayed and may be mixed into the thin film as impurities. This is considered to be a factor in the increase in specific resistance of the thin film. On the other hand, in an oxidizing gas atmosphere, the decomposed components of the organic ruthenium compound are quickly released from the system due to its good reactivity, and there is little contamination of impurities. However, as described above, oxidizing gas can cause oxidation of the substrate.

非酸化性ガス及び酸化性ガスが及ぼす基板と薄膜への影響を上記のように捉えると、非酸化性ガスは基板に接触する状態においては適用可能であり、不純物の蓄積が少ない比較的薄い薄膜の成膜には有用であるといえる。一方、酸化性ガスは、不純物の蓄積の懸念が少ないので、基板への接触を避けることができるのであれば、所望の膜厚を得るための成膜速度の確保に好適である。本発明者等は、各反応ガスの適正を前記のように解し、上記課題を解決する化学蒸着法による成膜方法として、成膜初期の段階での反応ガスに非酸化性ガスを適用して基板にルテニウム薄膜等を成膜した後、酸化性ガスを反応ガスにして薄膜を成長させる2段階の成膜プロセスを見出し、本発明に想到した。 Considering the effects of non-oxidizing gases and oxidizing gases on substrates and thin films as described above, non-oxidizing gases can be applied when they are in contact with the substrate, and can be applied to relatively thin thin films with little accumulation of impurities. It can be said that it is useful for film formation. On the other hand, since oxidizing gas is less likely to accumulate impurities, it is suitable for ensuring a film formation rate to obtain a desired film thickness as long as contact with the substrate can be avoided. The present inventors have understood the suitability of each reaction gas as described above, and applied a non-oxidizing gas as a reaction gas in the early stage of film formation as a film formation method using chemical vapor deposition to solve the above problems. They discovered a two-step film-forming process in which a ruthenium thin film or the like is formed on a substrate, and then the thin film is grown using an oxidizing gas as a reactive gas, and the present invention was conceived.

即ち、本発明は、基板上で有機ルテニウム化合物と反応ガスとを反応させ、ルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する化学蒸着法によるルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法において、前記反応ガスとして非酸化性ガスを導入し、基板表面上にルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する第1成膜工程と、前記第1成膜工程による成膜後、前記反応ガスとして酸化性ガスを導入し、ルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する第2成膜工程とを含み、前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程で導入する有機ルテニウム化合物として、下記(1)~(3)の有機ルテニウム化合物α、β、γのいずれかを適用することを特徴とするルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法である。 That is, the present invention provides a method for producing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film by a chemical vapor deposition method in which an organic ruthenium compound and a reactive gas are reacted on a substrate to form a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film. a first film forming step of introducing an oxidizing gas and forming a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film on the substrate surface; and after film formation in the first film forming step, introducing an oxidizing gas as the reaction gas; The organic ruthenium compounds introduced in the first film forming step and the second film forming step include the following organic ruthenium compounds (1) to (3). This is a method for producing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film, characterized in that one of ruthenium compounds α, β, and γ is applied.

(1)有機ルテニウム化合物α

Figure 2023178560000006
(式中、配位子Lは、炭素数2以上13以下の直鎖又は分枝鎖の鎖状炭化水素基又は環状炭化水素基である。また、配位子Xは、カルボニル配位子(CO)又は下記の化6~化12の式で示されるイソシアニド配位子(L)、ピリジン配位子(L)、アミン配位子(L)、イミダゾール配位子(L)、ピリダジン配位子(L)、ピリミジン配位子(L)、ピラジン配位子(L)のいずれかである。 (1) Organic ruthenium compound α
Figure 2023178560000006
(In the formula, the ligand L 1 is a linear or branched chain hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group having 2 to 13 carbon atoms. Also, the ligand X is a carbonyl ligand (CO) or isocyanide ligand (L 2 ), pyridine ligand (L 3 ), amine ligand (L 4 ), imidazole ligand (L 5 ) represented by the following formulas 6 to 12. ), a pyridazine ligand (L 6 ), a pyrimidine ligand (L 7 ), or a pyrazine ligand (L 8 ).

Figure 2023178560000007
(上記式中、イソシアニド配位子Lの置換基Rは、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、または炭素数3以上9以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上9以下のアリール基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000007
(In the above formula, the substituent R 1 of the isocyanide ligand L 2 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, or a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms, or a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms. A straight chain or branched amino group having 1 to 8 carbon atoms, an aryl group having 6 to 9 carbon atoms, a straight chain or branched alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a straight chain or branched chain having 1 to 8 carbon atoms, (A branched cyano group, a straight or branched nitro group having 1 to 8 carbon atoms, or a straight or branched fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms.)

Figure 2023178560000008
(上記式中、ピリジン配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基若しくはフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000008
(In the above formula, substituents R 2 to R 6 of the pyridine ligand L 3 are hydrogen, a linear or branched alkyl group or fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and 1 to 5 carbon atoms, respectively. The following straight-chain or branched fluoro groups, straight-chain or branched alkoxy groups with 1 to 5 carbon atoms, straight-chain or branched cyano groups with 1 to 5 carbon atoms, and straight-chain or branched cyano groups with 1 to 5 carbon atoms. Either a straight-chain or branched nitro group.)

Figure 2023178560000009
(上記式中、アミン配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基である。)
Figure 2023178560000009
(In the above formula, each of the substituents R 7 to R 9 of the amine ligand L 4 is a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.)

Figure 2023178560000010
(上記式中、イミダゾール配位子Lの置換基R10は、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上8以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。置換基R11~R13は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000010
(In the above formula, the substituent R 10 of the imidazole ligand L 5 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, or a carbon number 1 Any of the above 8 or less linear or branched fluoroalkyl groups. Substituents R 11 to R 13 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and carbon atoms. Straight chain or branched amino group having 1 to 5 carbon atoms, straight chain or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, straight chain or branched cyano group having 1 to 5 carbon atoms, 1 carbon number Any of a linear or branched nitro group having 5 or more carbon atoms, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, or a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. be.)

Figure 2023178560000011
(上記式中、ピリダジン配位子Lの置換基R14~R17は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
Figure 2023178560000011
(In the above formula, substituents R 14 to R 17 of the pyridazine ligand L 6 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms; is either a straight-chain or branched cyano group, hydrogen, or a straight-chain or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)

Figure 2023178560000012
(上記式中、ピリミジン配位子Lの置換基R18~R21は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
Figure 2023178560000012
(In the above formula, the substituents R 18 to R 21 of the pyrimidine ligand L 7 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched chain having 1 to 5 carbon atoms, or Either a branched cyano group or a straight or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)

Figure 2023178560000013
(上記式中、ピラジン配位子Lの置換基R22~R25は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
Figure 2023178560000013
(In the above formula, substituents R 22 to R 25 of pyrazine ligand L 8 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched chain having 1 to 5 carbon atoms, or Either a branched cyano group or a straight or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)

(2)有機ルテニウム化合物β

Figure 2023178560000014
(式中、R26、R27は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、炭素数1以上4以下のアルキル基のいずれか1種である。) (2) Organic ruthenium compound β
Figure 2023178560000014
(In the formula, R 26 and R 27 may be the same or different, and are each one of a hydrogen atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.)

(3)有機ルテニウム化合物γ

Figure 2023178560000015
(式中、配位子Lは、次式に示される(L-1)又は(L-2)のいずれかで示される配位子であり、1つの窒素原子を含む配位子である。) (3) Organic ruthenium compound γ
Figure 2023178560000015
(In the formula, the ligand L 9 is a ligand represented by either (L 9 -1) or (L 9 -2) shown in the following formula, and a ligand containing one nitrogen atom. )

Figure 2023178560000016
(式中、*は、ルテニウムに橋架け配位する原子の位置である。R28~R35は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、炭素数1以上4以下のアルキル基のいずれか1種である。)
Figure 2023178560000016
(In the formula, * is the position of the atom that bridges and coordinates to ruthenium. R 28 to R 35 may be the same or different, and each represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and (1 type)

以下、本発明に係る化学蒸着法によるルテニウム薄膜等の製造方法及びルテニウム薄膜等について詳細に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a ruthenium thin film, etc. by a chemical vapor deposition method and a ruthenium thin film, etc. according to the present invention will be explained in detail.

A.本発明に係る化学蒸着法によるルテニウム薄膜等の製造方法
上記のとおり、本発明に係るルテニウム薄膜等の成膜方法は、反応ガスが異なる2段階の成膜工程を有する。以下の説明においては、双方の成膜工程に共通する事項を説明し、その上で第1、第2の各成膜工程について説明する。
A. Method for producing a ruthenium thin film, etc., by chemical vapor deposition according to the present invention As described above, the method for producing a ruthenium thin film, etc., according to the present invention includes two stages of film-forming steps using different reaction gases. In the following description, matters common to both film forming steps will be explained, and then each of the first and second film forming steps will be explained.

(a)化学蒸着蒸着法の基本プロセス
本発明は、化学蒸着法によりルテニウム薄膜等を成膜する方法である。化学蒸着法は、有機ルテニウム化合物からなるプリカーサを気化した原料ガスと反応ガスを基板表面に導入し、基板上で有機ルテニウム化合物を分解しルテニウム又はルテニウム化合物を析出・堆積させて薄膜を製造する方法である。化学蒸着法は、原料ガス及び反応ガスの供給等の内容により化学気相蒸着法(CVD法)と原子層蒸着法(ALD法)が知られている。
(a) Basic process of chemical vapor deposition method The present invention is a method of forming a ruthenium thin film etc. by chemical vapor deposition method. The chemical vapor deposition method is a method of manufacturing a thin film by introducing a raw material gas containing a vaporized precursor made of an organic ruthenium compound and a reaction gas onto the substrate surface, decomposing the organic ruthenium compound on the substrate, and precipitating and depositing ruthenium or the ruthenium compound. It is. As chemical vapor deposition methods, chemical vapor deposition methods (CVD methods) and atomic layer deposition methods (ALD methods) are known, depending on the content of supply of raw material gases and reaction gases.

CVD法は、一般的に原料ガスと反応ガスとを同時に基板上に導入し、所望の膜厚の薄膜となるまで反応させる成膜方法である。これに対しALD法は、原料ガスを基板に導入し原料化合物を基板表面に吸着させる工程(吸着工程)、余剰な原料ガスを排気する工程(原料ガスパージ工程)、反応ガスを導入し基板表面に吸着した原料化合物と反応ガスとを表面上で反応させて薄膜を形成する工程(反応工程)、更に、余剰な反応ガスを排気する工程(反応ガスパージ工程)、の一連のステップを1サイクルとし、このサイクルを1回以上繰り返して所望の膜厚とする薄膜形成プロセスである。 The CVD method is generally a film forming method in which a source gas and a reaction gas are simultaneously introduced onto a substrate and reacted until a thin film with a desired thickness is formed. On the other hand, the ALD method involves a step in which a raw material gas is introduced into a substrate and the raw material compound is adsorbed onto the substrate surface (adsorption step), a step in which excess raw material gas is exhausted (raw material gas purge step), and a reactive gas is introduced into the substrate surface. One cycle includes a series of steps of reacting the adsorbed raw material compound and the reaction gas on the surface to form a thin film (reaction step), and further exhausting the excess reaction gas (reaction gas purge step). This is a thin film forming process in which this cycle is repeated one or more times to achieve a desired film thickness.

本発明の化学蒸着法は、CVD法及びALD法の双方に適用可能である。CVD法では、第1成膜工程で原料ガスと非酸化性ガスを導入し、第2成膜工程では原料ガスと酸化性ガスを導入することとなる。また、ALD法では、第1成膜工程で、上記した吸着工程・原料ガスパージ工程・非酸化性ガスによる反応工程・反応ガスパージ工程からなるサイクルを1回以上繰り返し、その後、第2成膜工程で、吸着工程・原料ガスパージ工程・酸化性ガスによる反応工程・反応ガスパージ工程からなるサイクルを1回以上繰り返して所望の膜厚とする。 The chemical vapor deposition method of the present invention is applicable to both the CVD method and the ALD method. In the CVD method, a raw material gas and a non-oxidizing gas are introduced in the first film-forming process, and a raw material gas and an oxidizing gas are introduced in the second film-forming process. In addition, in the ALD method, the cycle consisting of the above-described adsorption step, raw material gas purge step, reaction step with non-oxidizing gas, and reaction gas purge step is repeated one or more times in the first film formation step, and then in the second film formation step. A cycle consisting of an adsorption step, a raw material gas purge step, a reaction step using an oxidizing gas, and a reaction gas purge step is repeated one or more times to obtain a desired film thickness.

また、化学蒸着法では、原料化合物と反応ガスとの反応を促進するため基板等を加熱する熱CVD法、熱ALD法が適用されることが多く、本発明でも同様である。更に、化学蒸着法では、加熱によるアシストの他、プラズマ(PECVD、PEALD)やレーザー等によるアシストを行うことがあるが、本発明でも第1成膜工程及び/又は第2成膜工程にこれらを適用できる。 Further, in the chemical vapor deposition method, a thermal CVD method or a thermal ALD method in which a substrate or the like is heated in order to promote the reaction between a raw material compound and a reaction gas is often applied, and the same applies to the present invention. Furthermore, in the chemical vapor deposition method, in addition to assisting by heating, assisting by plasma (PECVD, PEALD), laser, etc. may be performed, and the present invention also uses these in the first film forming step and/or the second film forming step. Applicable.

(b)基板
本発明における基板については特に制限はない。Si基板又はSi/SiO基板の他、表面にCu、W、TiN等の薄膜を備えた基板等、適用されるデバイスの仕様に応じて任意に材質選択ができる。特に本発明は、基板の酸化抑制を前提とすることから、酸化し易い基板であっても問題はない。
(b) Substrate There are no particular limitations on the substrate in the present invention. In addition to a Si substrate or a Si/SiO 2 substrate, any material can be selected depending on the specifications of the device to which it is applied, such as a substrate with a thin film of Cu, W, TiN, etc. on the surface. In particular, since the present invention is based on the premise of suppressing oxidation of the substrate, there is no problem even if the substrate is easily oxidized.

(c)有機ルテニウム化合物(プリカーサ)
本発明においては、プリカーサとなる有機ルテニウム化合物は、非酸化性ガスを反応ガスとしたときにルテニウム薄膜等を成膜可能なものが適用される。非酸化性ガスに反応性のないプリカーサでは、第1成膜工程での成膜が困難となり、その後の第2成膜工程を行うことができないからである。そして、本発明では、上記で示した(1)有機ルテニウム化合物α(化5)、(2)有機ルテニウム化合物β(化13)、(3)有機ルテニウム化合物γ(化14)をプリカーサとして適用する。以下、各有機ルテニウム化合物について説明する。
(c) Organic ruthenium compound (precursor)
In the present invention, the organic ruthenium compound serving as the precursor is one that can form a ruthenium thin film or the like when a non-oxidizing gas is used as the reaction gas. This is because a precursor that is not reactive with non-oxidizing gases makes it difficult to form a film in the first film forming step, and the subsequent second film forming step cannot be performed. In the present invention, (1) organic ruthenium compound α (chemical formula 5), (2) organic ruthenium compound β (chemical formula 13), and (3) organic ruthenium compound γ (chemical formula 14) shown above are applied as precursors. . Each organic ruthenium compound will be explained below.

(1)有機ルテニウム化合物α
有機ルテニウム化合物αは、上記化5で示される有機ルテニウムである。この有機ルテニウム化合物は、ルテニウム(2価)に、配位子Lとして直鎖又は分枝鎖の鎖状炭化水素基又は環状炭化水素基が配位し、更に、配位子X及び2つのカルボニル配位子が配位した化合物である。
(1) Organic ruthenium compound α
The organic ruthenium compound α is an organic ruthenium represented by Formula 5 above. This organic ruthenium compound has ruthenium (divalent) coordinated with a linear or branched chain hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group as the ligand L1 , and further has a ligand X and two It is a compound coordinated with a carbonyl ligand.

有機ルテニウム化合物αの配位子Lである炭素数2以上13以下の直鎖又は分枝鎖の鎖状炭化水素基又は環状炭化水素基としては、後述するトリメチレン配位子(配位子L10)や、ブタジエニル配位子、ペンタジエニル配位子、ヘキサジエニル配位子、ヘプタジエニル配位子等が挙げられる。 As the linear or branched chain hydrocarbon group or cyclic hydrocarbon group having 2 to 13 carbon atoms, which is the ligand L 1 of the organic ruthenium compound α, the trimethylene ligand (ligand L 10 ), a butadienyl ligand, a pentadienyl ligand, a hexadienyl ligand, a heptadienyl ligand, and the like.

一方、有機ルテニウム化合物αの配位子Xとしては、カルボニル配位子(CO)、イソシアニド配位子(L)、ピリジン配位子(L)、アミン配位子(L)、イミダゾール配位子(L)、ピリダジン配位子(L)、ピリミジン配位子(L)、およびピラジン配位子(L)のいずれかが適用される。配位子L~Lの具体的内容は、以下のとおりである。 On the other hand , as the ligand Any of a ligand (L 5 ), a pyridazine ligand (L 6 ), a pyrimidine ligand (L 7 ), and a pyrazine ligand (L 8 ) is applied. The specific contents of the ligands L 2 to L 8 are as follows.

・イソシアニド配位子(L
イソシアニド配位子(L)は、上記化6の式で示される配位子である。配位子Lの置換基Rは、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上9以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上9以下のアリール基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基である。配位子Xがイソシアニド配位子であるとき、配位子Lの置換基Rは、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、シクロヘキシル基、トリフルオロメチル基、又はペンタフルオロエチル基のいずれかであることが好ましい。
・Isocyanide ligand (L 2 )
The isocyanide ligand (L 2 ) is a ligand represented by the above formula 6. The substituent R 1 of the ligand L 2 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms, and a linear chain having 1 to 8 carbon atoms. or branched amino group, aryl group having 6 to 9 carbon atoms, linear or branched alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, linear or branched cyano group having 1 to 8 carbon atoms, carbon A linear or branched nitro group having 1 to 8 carbon atoms, and a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms. When the ligand A tert-butyl group, a cyclohexyl group, a trifluoromethyl group, or a pentafluoroethyl group.

・ピリジン配位子(L
ピリジン配位子(L)は、上記化7の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基若しくはフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、のいずれかである。配位子Xがピリジン配位子であるとき、R~Rの全てが水素であるか、RとRとRのいずれもがメチル基でRとRが水素であるか、RとRとRとRのいずれもが水素でRがメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロメチル基、メトキシ基、シアノ基、ニトロ基、のいずれかであるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Pyridine ligand (L 3 )
The pyridine ligand (L 3 ) is a ligand represented by Formula 7 above. The substituents R 2 to R 6 of the ligand L 3 are hydrogen, a linear or branched alkyl group or fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched chain having 1 to 5 carbon atoms, respectively. Chain fluoro group, linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, linear or branched cyano group having 1 to 5 carbon atoms, linear or branched cyano group having 1 to 5 carbon atoms Nitro group. When the ligand X is a pyridine ligand, all of R 2 to R 6 are hydrogen, or R 2 , R 4 , and R 6 are all methyl groups, and R 3 and R 5 are hydrogen. or R 2 and R 3 and R 5 and R 6 are all hydrogen, and R 4 is a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, a trifluoromethyl group, a methoxy group, a cyano group, a nitro group, It is preferable that either of the following is the case.

・アミン配位子(L
アミン配位子(L)は、上記化8の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基である。配位子Xがアミン配位子であるとき、R~Rの全てがメチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基のいずれかであるか、R、Rがいずれもメチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基又はtert-ブチル基のいずれかでありRが水素であるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Amine ligand (L 4 )
The amine ligand (L 4 ) is a ligand represented by Formula 8 above. Each of the substituents R 7 to R 9 of the ligand L 4 is a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. When the ligand X is an amine ligand, all of R 7 to R 9 are methyl, ethyl , n-propyl, isopropyl, or n-butyl, Preferably, each of 8 is a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, or a tert-butyl group, and R 9 is hydrogen.

・イミダゾール配位子(L
イミダゾール配位子(L)は、上記化9の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R10は、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上8以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。置換基R11~R13は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。配位子Xがイミダゾール配位子であるとき、R10~R13の全てが水素であるか、R10がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロメチル基のいずれかで、R11~R13が水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、R10がメチル基、エチル基、イソプロピル基又はtert-ブチル基、トリフルオロメチル基のいずれかで、R11~R13がいずれも水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Imidazole ligand (L 5 )
The imidazole ligand (L 5 ) is a ligand represented by the formula shown in Chemical Formula 9 above. The substituent R 10 of the ligand L 5 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and a linear chain having 1 to 8 carbon atoms. or a branched fluoroalkyl group. Substituents R 11 to R 13 each represent hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen, a linear or branched amino group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or carbon A linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched cyano group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms , a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen, or a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. When the ligand X is an imidazole ligand, all of R 10 to R 13 are hydrogen, or R 10 is a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, or a trifluoromethyl group. and R 11 to R 13 are hydrogen, a methyl group, or an ethyl group, or R 10 is a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, or a trifluoromethyl group, and R 11 -R 13 are all hydrogen, a methyl group, or an ethyl group.

・ピリダジン配位子(L
ピリダジン配位子(L)は、上記化10の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R14~R17は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。配位子Xがピリダジン配位子であるとき、R14~R17の全てが水素であるか、R14がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロメチル基、フルオロ基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基のいずれかで、R15~R17が水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、R15がメチル基、エチル基、イソプロピル基又はtert-ブチル基のいずれかで、R14とR16とR17がいずれも水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、R15とR16のいずれもがメチル基でR14とR17のいずれもが水素であるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Pyridazine ligand (L 6 )
The pyridazine ligand (L 6 ) is a ligand represented by the above formula 10. Substituents R 14 to R 17 of the ligand L 6 are each hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. group, a straight chain or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched chain having 1 to 5 carbon atoms is either a cyano group, hydrogen, or a linear or branched nitro group having 1 or more and 5 or less carbon atoms. When the ligand , methoxy group, cyano group, or nitro group, and R 15 to R 17 are hydrogen, methyl group, or ethyl group, or R 15 is methyl group, ethyl group, isopropyl group, or tert-butyl group. R 14 , R 16 and R 17 are all hydrogen, methyl group or ethyl group, or both R 15 and R 16 are methyl groups and neither R 14 or R 17 is a group. It is preferable that both hydrogen and hydrogen be used.

・ピリミジン配位子(L
ピリミジン配位子(L)は、上記化11の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R18~R21は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。配位子Xがピリミジン配位子であるとき、R18~R21の全てが水素であるか、R19とR20とR21のいずれもがメチル基でR18が水素であるか、R18がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロ基、フルオロ基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基のいずれかで、R19~R21が水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、R20がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロ基、フルオロ基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基のいずれかで、R18とR19とR21がいずれも水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Pyrimidine ligand (L 7 )
The pyrimidine ligand (L 7 ) is a ligand represented by the above formula 11. The substituents R 18 to R 21 of the ligand L 7 are each hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. group, a straight chain or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched chain having 1 to 5 carbon atoms is either a cyano group, hydrogen, or a linear or branched nitro group having 1 or more and 5 or less carbon atoms. When the ligand _ _ _ 18 is a methyl group, ethyl group, isopropyl group, tert-butyl group, trifluoro group, fluoro group, methoxy group, cyano group, or nitro group, and R 19 to R 21 are hydrogen, methyl group, or ethyl group or R 20 is either a methyl group, ethyl group, isopropyl group, tert-butyl group, trifluoro group, fluoro group, methoxy group, cyano group, or nitro group, and R 18 and R 19 and R 21 are both hydrogen, methyl group, or ethyl group.

・ピラジン配位子(L
ピラジン配位子(L)は、上記化12の式で示される配位子である。配位子Lの置換基R22~R25は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。配位子Xがピラジン配位子であるとき、R22~R25の全てが水素であるか、R22がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロメチル基、フルオロ基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基のいずれかで、R23~R25が水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、R23がメチル基、エチル基、イソプロピル基、tert-ブチル基、トリフルオロメチル基、フルオロ基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基のいずれかで、R22とR24とR25がいずれも水素、メチル基又はエチル基のいずれかであるか、のいずれかの場合が好ましい。
・Pyrazine ligand (L 8 )
The pyrazine ligand (L 8 ) is a ligand represented by the above formula 12. The substituents R 22 to R 25 of the ligand L 8 are each hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. group, a straight chain or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a straight chain or branched chain having 1 to 5 carbon atoms is either a cyano group, hydrogen, or a linear or branched nitro group having 1 or more and 5 or less carbon atoms. When the ligand , a methoxy group, a cyano group, or a nitro group, and R 23 to R 25 are hydrogen, a methyl group, or an ethyl group, or R 23 is a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, or a tert-butyl group. group, trifluoromethyl group, fluoro group, methoxy group, cyano group, or nitro group, and whether R22 , R24 , and R25 are all hydrogen, methyl group, or ethyl group. Either case is preferred.

上述した配位子配位子Lと配位子Xとの組み合わせに関し、本発明が有用な有機ルテニウム化合物αの1例として、配位子Lがトリメチレンメタン配位子であり、配位子Xがカルボニル配位である(つまりカルボニル配位子が3つ配位した)下記の有機ルテニウム化合物が挙げられる。 Regarding the above-mentioned combination of the ligand L 1 and the ligand Examples include the following organic ruthenium compounds in which the ligand X is carbonyl coordinated (that is, three carbonyl ligands are coordinated).

Figure 2023178560000017
Figure 2023178560000017

Figure 2023178560000018
Figure 2023178560000018

この有機ルテニウム化合物において、トリメチレンメタン配位子L10の置換基Rは、水素、又は、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上9以下の環状アルキル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルケニル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキニル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上9以下のアリール基、のいずれかである。より好ましくは、置換基Rは、水素、炭素数2以上4以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数5以上8以下の環状アルキル基、炭素数3以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルケニル基、炭素数3以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキニル基、炭素数3以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上8以下のアリール基のいずれかである。 In this organic ruthenium compound, the substituent R of the trimethylenemethane ligand L 10 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, or a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms. , a linear or branched alkenyl group having 2 to 8 carbon atoms, a linear or branched alkynyl group having 2 to 8 carbon atoms, a linear or branched amino group having 2 to 8 carbon atoms, carbon An aryl group having a number of 6 or more and 9 or less. More preferably, the substituent R is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 2 to 4 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 5 to 8 carbon atoms, or a linear or branched chain having 3 to 5 carbon atoms. alkenyl group, a linear or branched alkynyl group having 3 to 5 carbon atoms, a linear or branched amino group having 3 to 5 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 8 carbon atoms. .

配位子L10の置換基Rは、具体的には、水素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl)、sec-ブチル基(1-methylpropyl)、tert-ブチル基(1,1-dimethylethyl)、n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl)、ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)、sec-ペンチル基(1-methylbutyl), tert-ペンチル基(1,1-dimethylpropyl)、n-ヘキシル基、イソヘキシル基(4-methylpentyl)、ネオヘキシル基(2,2-dimethylbutyl)、sec-ヘキシル基(1-methylpentyl)、tert-ヘキシル基(1,1-dimethylpentyl)、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメタニル基、フェニル基が好ましい。より好ましくは、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl),n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl), ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)である。 Specifically, the substituent R of the ligand L 10 is hydrogen, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group (2-methylpropyl), sec-butyl group ( 1-methylpropyl), tert-butyl group (1,1-dimethylethyl), n-pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), neopentyl group (2,2-dimethylpropyl), sec-pentyl group (1-methylbutyl), tert-pentyl group (1,1-dimethylpropyl), n-hexyl group, isohexyl group (4-methylpentyl), neohexyl group (2,2-dimethylbutyl), sec-hexyl group (1-methylpentyl), tert-hexyl group ( 1,1-dimethylpentyl), cyclohexyl group, cyclohexylmethanyl group, and phenyl group are preferred. More preferred are ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, isobutyl group (2-methylpropyl), n-pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), and neopentyl group (2,2-dimethylpropyl).

(2)有機ルテニウム化合物β
有機ルテニウム化合物βは、上記化13で示される有機ルテニウムである。この有機ルテニウム化合物は、ルテニウムに2つのβ-ジケトン配位子及び2つのカルボニル配位子が配位した有機ルテニウム化合物である。
(2) Organic ruthenium compound β
The organic ruthenium compound β is an organic ruthenium represented by the above chemical formula 13. This organic ruthenium compound is an organic ruthenium compound in which two β-diketone ligands and two carbonyl ligands are coordinated to ruthenium.

β-ジケトン配位子の置換基R26、R27は、水素又は炭素数1以上4以下のアルキル基である。また、R26、R27は、互いに同一でも異なっていてもよいが、相互に異なる非対称型のγ-ジケトン類であることが好ましい。更に、R26の炭素数とR27の炭素数との合計は、2~5とする。 The substituents R 26 and R 27 of the β-diketone ligand are hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. Furthermore, R 26 and R 27 may be the same or different, but are preferably asymmetric γ-diketones that are different from each other. Furthermore, the total number of carbon atoms in R 26 and R 27 is 2 to 5.

(3)有機ルテニウム化合物γ
有機ルテニウム化合物γは、上記化14で示される有機ルテニウムである。この有機ルテニウム化合物は、金属結合した2つのルテニウムを中心金属とし、配位子として、ルテニウムに橋架け配位した配位子L及びカルボニル配位子を備える復核の有機ルテニウム化合物である。配位子Lは、窒素原子を1つ含むモノイミンであって、上記化16で示した2種の配位子(L-1)又は(L-2)のいずれかである。尚、「橋架け配位」とは、2つのルテニウムに対し、1つの配位子が架橋するように立体配位することである。具体的には、上記した配位子(L-1、L-2)のうち、*で示された2箇所の位置で各ルテニウムに配位することで、(1つの配位子が2つのルテニウムに)架橋配位する。
(3) Organic ruthenium compound γ
The organic ruthenium compound γ is an organic ruthenium represented by the above formula 14. This organic ruthenium compound is a polynuclear organic ruthenium compound which has two metal-bonded rutheniums as central metals and has a ligand L 9 bridge-coordinated to ruthenium and a carbonyl ligand as ligands. The ligand L 9 is a monoimine containing one nitrogen atom, and is either one of the two types of ligands (L 9 -1) or (L 9 -2) shown in Formula 16 above. Note that "bridging coordination" refers to steric coordination of two ruthenium molecules so that one ligand bridges them. Specifically, by coordinating to each ruthenium at the two positions indicated by * among the above-mentioned ligands (L 9 -1, L 9 -2), (one ligand (to two ruthenium) bridge coordination.

配位子Lの置換基R28~R35については、L-1ではR28~R30の各置換基の炭素数の合計が3以上10以下であることが好ましい。また、L-2ではR31~R35の各置換基の炭素数の合計が2以上10以下であることが好ましい。各置換基R28~R35としてとりうる置換基は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、炭素数1以上4以下のアルキル基のいずれか1種である。置換基R28~R35がアルキル基である場合、直鎖又は分岐鎖のいずれでも良い。アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、又はブチル基のいずれか1種が好ましい。 Regarding the substituents R 28 to R 35 of the ligand L 9 , the total number of carbon atoms of each of the substituents R 28 to R 30 in L 9 -1 is preferably 3 or more and 10 or less. Further, in L 9 -2, it is preferable that the total number of carbon atoms in each of the substituents R 31 to R 35 is 2 or more and 10 or less. The substituents R 28 to R 35 may be the same or different, and are each one of a hydrogen atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. When the substituents R 28 to R 35 are alkyl groups, they may be either linear or branched. The alkyl group is preferably any one of a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group.

配位子L-1の置換基R28~R30は、互いに同一でも異なっていてもよく、少なくとも1つは、エチル基、プロピル基又はブチル基のいずれかであることが好ましい。R及びRは、分岐鎖のアルキル基であることも好ましい。具体的には、好適な置換基として、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、又はtert-ブチル基等が適用でき、好ましくは、エチル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、又はtert-ブチル基である。 The substituents R 28 to R 30 of the ligand L 9 -1 may be the same or different, and at least one is preferably an ethyl group, a propyl group, or a butyl group. It is also preferable that R 1 and R 3 are branched alkyl groups. Specifically, suitable substituents include ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, n-butyl group, iso-butyl group, sec-butyl group, or tert-butyl group, and are preferred. is an ethyl group, an iso-propyl group, an iso-butyl group, a sec-butyl group, or a tert-butyl group.

29は、水素原子又はメチル基のいずれかが好ましく、水素原子が特に好ましい。これらの置換基R29は、配位子Lがルテニウムに橋架け配位した際に、ルテニウムが金属結合している平面上に対し、立体方向に位置しており、この置換基を低炭素数とした場合、安定して気化しやすい錯体が得られやすい。 R 29 is preferably a hydrogen atom or a methyl group, and particularly preferably a hydrogen atom. These substituents R 29 are located in the steric direction with respect to the plane where ruthenium is metal-bonded when the ligand L 9 is bridged and coordinated to ruthenium, and this substituent is When expressed as a number, it is easy to obtain a stable and easily vaporized complex.

配位子L-2の置換基R31~R35の好適な置換基としては、R31は、エチル基、プロピル基又はブチル基のいずれか1つが好ましい。R31は、分岐鎖のアルキル基であることも好ましい。具体的には、好適な置換基として、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、又はtert-ブチル基等が適用でき、好ましくは、エチル基、iso-プロピル基、iso-ブチル基、sec-ブチル基、又はtert-ブチル基である。また、R32、R33、R34及びR35は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子又はメチル基のいずれかが好ましく、水素原子が特に好ましい。 As suitable substituents for the substituents R 31 to R 35 of the ligand L 9 -2, R 31 is preferably any one of an ethyl group, a propyl group, or a butyl group. It is also preferable that R 31 is a branched alkyl group. Specifically, suitable substituents include ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, n-butyl group, iso-butyl group, sec-butyl group, or tert-butyl group, and are preferred. is an ethyl group, an iso-propyl group, an iso-butyl group, a sec-butyl group, or a tert-butyl group. Further, R 32 , R 33 , R 34 and R 35 may be the same or different from each other, and each is preferably a hydrogen atom or a methyl group, and particularly preferably a hydrogen atom.

以上説明したプリカーサとなる(1)~(3)の有機ルテニウム化合物α、β、γは、そのまま或いは適宜の溶媒に溶解した溶液を加熱して原料ガスとすることができる。 The organic ruthenium compounds α, β, and γ as precursors (1) to (3) described above can be used as raw material gases as they are or by heating a solution dissolved in an appropriate solvent.

(I)第1成膜工程
第1成膜工程は、上記した有機ルテニウム化合物α、β、γをプリカーサとし、非酸化性ガスを反応ガスとして基板にルテニウム薄膜等を成膜する工程である。この成膜工程は、基板の酸化を抑制しつつ、製造目的となるルテニウム薄膜等の基礎となる薄膜を成膜する初期段階の工程である。
(I) First film-forming step The first film-forming step is a step of forming a ruthenium thin film or the like on a substrate using the above-described organic ruthenium compounds α, β, and γ as precursors and a non-oxidizing gas as a reaction gas. This film-forming process is an initial stage process of forming a thin film that will become a base such as a ruthenium thin film for manufacturing purposes while suppressing oxidation of the substrate.

第1成膜工程で反応ガスとなる非酸化性ガスとは、酸化性ガス以外のガスである。ここで、酸化性ガスとは、酸素を供給することによって他の物質の燃焼を引き起こす或いは助燃するおそれが空気よりもある気体物質であり、より具体的には、GHS区分が区分1に該当する気体物質である。本発明において、好ましい非酸化性ガスとしては、水素、水蒸気、アンモニア、アミン化合物、ヒドラジン誘導体等が挙げられる。 The non-oxidizing gas that becomes the reactive gas in the first film forming step is a gas other than the oxidizing gas. Here, oxidizing gas is a gaseous substance that is more likely than air to cause or assist the combustion of other substances by supplying oxygen, and more specifically, the GHS classification falls under Category 1. It is a gaseous substance. In the present invention, preferred non-oxidizing gases include hydrogen, water vapor, ammonia, amine compounds, hydrazine derivatives, and the like.

尚、アミン化合物は、「R-NH」、「RR’-NH」、「RR’R”-N」で示される化合物であり、式中の置換基R、R’、R”は、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl)、sec-ブチル基(1-methylpropyl)、tert-ブチル基(1,1-dimethylethyl)、n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl)、ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)、sec-ペンチル基(1-methylbutyl),tert-ペンチル基(1,1-dimethylpropyl)、n-ヘキシル基、イソヘキシル基(4-methylpentyl)、ネオヘキシル基(2,2-dimethylbutyl)、sec-ヘキシル基(1-methylpentyl)、tert-ヘキシル基(1,1-dimethylpentyl)、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルエチル基、フェニル基、ベンジル基からなる群から選択される。R、R’、R”は、それぞれ同一でも異なっていても良い。R、R’、R”は、より好ましくは、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl)、sec-ブチル基(1-methylpropyl)、tert-ブチル基(1,1-dimethylethyl)、n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl)、ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)、sec-ペンチル基(1-methylbutyl),tert-ペンチル基(1,1-dimethylpropyl)からなる群から選択される。 In addition, the amine compound is a compound represented by "R-NH 2 ", "RR'-NH", "RR'R"-N", and the substituents R, R', R" in the formula are methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group (2-methylpropyl), sec-butyl group (1-methylpropyl), tert-butyl group (1,1-dimethylethyl), n- Pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), neopentyl group (2,2-dimethylpropyl), sec-pentyl group (1-methylbutyl), tert-pentyl group (1,1-dimethylpropyl), n-hexyl group, isohexyl group (4-methylpentyl), neohexyl group (2,2-dimethylbutyl), sec-hexyl group (1-methylpentyl), tert-hexyl group (1,1-dimethylpentyl), cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, cyclohexylethyl group, phenyl R, R', and R'' may be the same or different, respectively. R, R', and R'' are more preferably a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group (2-methylpropyl), a sec-butyl group (1-methylpropyl), tert-butyl group (1,1-dimethylethyl), n-pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), neopentyl group (2,2-dimethylpropyl), sec-pentyl group (1-methylbutyl), tert-pentyl group ( 1,1-dimethylpropyl).

また、ヒドラジン誘導体は、「H2N-NRR’」で示される化合物であり、式中の置換基R、R’は、水素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl)、sec-ブチル基(1-methylpropyl)、tert-ブチル基(1,1-dimethylethyl)、n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl)、ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)、sec-ペンチル基(1-methylbutyl),tert-ペンチル基(1,1-dimethylpropyl)、n-ヘキシル基、イソヘキシル基(4-methylpentyl)、ネオヘキシル基(2,2-dimethylbutyl)、sec-ヘキシル基(1-methylpentyl)、tert-ヘキシル基(1,1-dimethylpentyl)、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルエチル基、フェニル基、ベンジル基からなる群から選択される。R、R’は、それぞれ同一でも異なっていても良い。より好ましくは、R、R’は、水素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基(2-methylpropyl)、sec-ブチル基(1-methylpropyl)、tert-ブチル基(1,1-dimethylethyl)、n-ペンチル基、イソペンチル基(3-methylbutyl)、ネオペンチル基(2,2-dimethylpropyl)、sec-ペンチル基(1-methylbutyl),tert-ペンチル基(1,1-dimethylpropyl)からなる群から選択される。 In addition, the hydrazine derivative is a compound represented by "H2N-NRR'", and the substituents R and R' in the formula are hydrogen, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, and n-butyl group. , isobutyl group (2-methylpropyl), sec-butyl group (1-methylpropyl), tert-butyl group (1,1-dimethylethyl), n-pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), neopentyl group (2,2 -dimethylpropyl), sec-pentyl group (1-methylbutyl), tert-pentyl group (1,1-dimethylpropyl), n-hexyl group, isohexyl group (4-methylpentyl), neohexyl group (2,2-dimethylbutyl), sec -hexyl group (1-methylpentyl), tert-hexyl group (1,1-dimethylpentyl), cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, cyclohexylethyl group, phenyl group, benzyl group. R and R' may be the same or different. More preferably, R and R' are hydrogen, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group (2-methylpropyl), sec-butyl group (1-methylpropyl), tert -butyl group (1,1-dimethylbutyl), n-pentyl group, isopentyl group (3-methylbutyl), neopentyl group (2,2-dimethylpropyl), sec-pentyl group (1-methylbutyl), tert-pentyl group (1 , 1-dimethylpropyl).

また、第1成膜工程において成膜するルテニウム薄膜等の膜厚は、2nm以上5nm以下とすることが好ましい。非酸化性ガスにより形成されるルテニウム薄膜等は、炭素等の不純物を含む傾向がある。そのため、この段階での膜厚を過度に厚くすると、第2成膜工程を経た薄膜の比抵抗が高くなることがある。また、第1成膜工程によるルテニウム薄膜等が薄すぎると、その後の酸化性ガスによる第2成膜工程で基板が酸化するおそれがある。 Further, the thickness of the ruthenium thin film or the like formed in the first film forming step is preferably 2 nm or more and 5 nm or less. Ruthenium thin films formed using non-oxidizing gas tend to contain impurities such as carbon. Therefore, if the film thickness at this stage is made excessively thick, the resistivity of the thin film that has undergone the second film formation process may become high. Furthermore, if the ruthenium thin film or the like formed in the first film formation step is too thin, there is a risk that the substrate will be oxidized in the subsequent second film formation step using an oxidizing gas.

第1成膜工程における成膜条件は、プリカーサである有機ルテニウム化合物α、β、γの特性に応じて任意に設定される。有機ルテニウム化合物α、β、γは、いずれも蒸気圧が比較的高く容易に気化して原料ガスにすることができる。プリカーサを気化して原料ガスを生成するための加熱温度としては0℃以上80℃以下とするのが好ましい。 The film-forming conditions in the first film-forming step are arbitrarily set according to the characteristics of the organic ruthenium compounds α, β, and γ, which are precursors. The organic ruthenium compounds α, β, and γ all have relatively high vapor pressures and can be easily vaporized into raw material gas. The heating temperature for vaporizing the precursor to generate the raw material gas is preferably 0° C. or higher and 80° C. or lower.

また、成膜時の成膜温度は、150℃以上400℃以下とするのが好ましい。150℃未満では、有機ルテニウム化合物の分解反応が進行し難く成膜の進行が遅くなる。一方、成膜温度が400℃を超えると均一な成膜が困難となると共に、基板へダメージが懸念される等の問題がある。成膜温度とは、基板の表面温度であり、通常は基板の加熱温度により調節される。 Further, the film formation temperature during film formation is preferably 150°C or more and 400°C or less. If the temperature is less than 150° C., the decomposition reaction of the organic ruthenium compound will be difficult to proceed, and the progress of film formation will be slow. On the other hand, if the film-forming temperature exceeds 400° C., it becomes difficult to form a uniform film, and there are problems such as damage to the substrate. The film forming temperature is the surface temperature of the substrate, and is usually adjusted by the heating temperature of the substrate.

尚、ALD法においては、上記のとおり、吸着工程・原料ガスパージ工程・反応工程・反応ガスパージ工程からなるサイクルを複数回繰り返すことを前提とする。このとき、2回目以降のサイクルでは、ルテニウム等は前サイクルのルテニウム薄膜等の上に析出することがある。この場合、当該サイクルでは基板に直接成膜したことにならないが、当該サイクルも当然に第1成膜工程の範囲にある。即ち、反応ガスを非酸化性ガスとする限り、2回目以降のサイクルも第1成膜工程の範囲にある。 In the ALD method, as described above, it is assumed that a cycle consisting of an adsorption step, a raw material gas purge step, a reaction step, and a reaction gas purge step is repeated multiple times. At this time, in the second and subsequent cycles, ruthenium etc. may be deposited on the ruthenium thin film etc. of the previous cycle. In this case, although the film is not directly formed on the substrate in this cycle, the cycle is also within the scope of the first film forming process. That is, as long as the reaction gas is a non-oxidizing gas, the second and subsequent cycles are also within the range of the first film forming process.

(II)第2成膜工程
第2成膜工程は、上述した第1成膜工程で形成されたルテニウム薄膜等の上に、酸化性ガスを反応ガスとして成膜する工程である。この成膜工程は、基本的に、反応ガスのみが第1成膜工程と相違する。よって、第2成膜工程は、第1成膜工程後の同一の反応器で実行可能である。
(II) Second film-forming process The second film-forming process is a process of forming a film using an oxidizing gas as a reactive gas on the ruthenium thin film etc. formed in the above-described first film-forming process. This film-forming process is basically different from the first film-forming process only in the reaction gas. Therefore, the second film forming step can be performed in the same reactor after the first film forming step.

第2成膜工程で反応ガスとなる酸化性ガスの意義については、上述したとおりである。本発明において好適な酸化性ガスとしては、酸素、オゾンのいずれか挙げられる。 The significance of the oxidizing gas that becomes the reactive gas in the second film forming step is as described above. In the present invention, suitable oxidizing gases include either oxygen or ozone.

第2成膜工程における成膜条件もプリカーサである有機ルテニウム化合物の特性に応じて任意に設定される。また、プリカーサの気化の加熱温度は、第1成膜工程と同様0℃以上80℃以下とするのが好ましい。そして、成膜時の成膜温度は、反応ガスが酸化性ガスとなっていることを考慮しつつ設定できるが、第1成膜工程と同様の範囲とすることができる。即ち、成膜温度は150℃以上400℃以下とするのが好ましい。 The film forming conditions in the second film forming step are also arbitrarily set depending on the characteristics of the organic ruthenium compound which is the precursor. Further, the heating temperature for vaporizing the precursor is preferably 0° C. or more and 80° C. or less, as in the first film forming step. The film-forming temperature during film-forming can be set taking into account that the reaction gas is an oxidizing gas, and can be set within the same range as in the first film-forming step. That is, the film forming temperature is preferably 150°C or more and 400°C or less.

第2成膜工程は、目的とする膜厚のルテニウム薄膜等を成膜する工程である。従って、この工程で成膜するルテニウム薄膜等の膜厚が限定されることはない。 The second film forming step is a step of forming a ruthenium thin film or the like having a desired thickness. Therefore, the thickness of the ruthenium thin film formed in this step is not limited.

以上説明した第1成膜工程及び第2成膜工程を経ることで、所望の膜厚のルテニウム薄膜等が成膜される。本発明に係る方法により成膜するルテニウム薄膜等の膜厚に制限はない。例えば、10nm級(20nm以下)の薄いルテニウム膜の形成においては、これまでの酸化性ガスによる成膜に対し、基板の酸化を抑制すると共に薄膜の比抵抗を最適化することができる。酸化性ガスにより基板が酸化されるとき、薄膜の膜厚が薄くなるほどその影響を受けることとなる。本発明により基板の酸化を抑制することで、より低抵抗な薄膜とすることができる。また、膜厚を増大させる場合においては、これまでの非酸化性ガスを反応ガスとする成膜方法よりも、効率的な成膜を行うことができる。第1成膜工程により基礎となる薄膜を形成した後は、反応性に優れる酸化性ガスを反応ガスとするからである。 Through the first film forming step and second film forming step described above, a ruthenium thin film or the like having a desired thickness is formed. There is no limit to the thickness of the ruthenium thin film or the like formed by the method according to the present invention. For example, in forming a thin ruthenium film of 10 nm class (20 nm or less), it is possible to suppress oxidation of the substrate and optimize the specific resistance of the thin film, compared to conventional film formation using an oxidizing gas. When a substrate is oxidized by an oxidizing gas, the thinner the thin film is, the more it will be affected by the oxidation. By suppressing oxidation of the substrate according to the present invention, a thin film with lower resistance can be obtained. Furthermore, when increasing the film thickness, the film can be formed more efficiently than the conventional film forming method using a non-oxidizing gas as the reaction gas. This is because, after forming the basic thin film in the first film forming step, an oxidizing gas with excellent reactivity is used as a reactive gas.

B.本発明に係るルテニウム薄膜等
本発明は、適宜の基板上に形成されたルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜も提示する。本発明に係るルテニウム薄膜等は、基板表面において酸素フリーであり、膜厚が薄い場合であっても基板酸化による抵抗上昇が抑制されている。即ち、本発明は、基板上に成膜されたルテニウム又はルテニウム化合物からなる薄膜であって、前記薄膜は前記基板との界面に酸素を含まないものである。
B. Ruthenium Thin Film According to the Present Invention The present invention also provides a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film formed on a suitable substrate. The ruthenium thin film or the like according to the present invention is oxygen-free on the substrate surface, and even if the film is thin, resistance increase due to substrate oxidation is suppressed. That is, the present invention is a thin film made of ruthenium or a ruthenium compound formed on a substrate, and the thin film does not contain oxygen at the interface with the substrate.

また、本発明に係るルテニウム薄膜等は、薄膜中の不純物含有量も低減されている。上述した有機ルテニウム化合物においては、カルボニル配位子等の炭素を構成元素とする配位子を含み、それらの配位子が成膜中に薄膜に混入する可能性がある。本発明に係るルテニウム薄膜等は、不純物の混入も抑制されており、これによる抵抗上昇も抑制される。本発明に係るルテニウム薄膜等では、薄膜最表面付近における平均炭素濃度が低減されている。本発明に係るルテニウム薄膜等の不純物の抑制に関し、具体的に説明すると、薄膜最表面からから10nm以上25nm以下の範囲における平均炭素濃度が0.05原子%以下にまで低減されている。 Further, the ruthenium thin film and the like according to the present invention have a reduced impurity content in the thin film. The above-mentioned organic ruthenium compounds contain ligands having carbon as a constituent element, such as carbonyl ligands, and these ligands may be mixed into the thin film during film formation. In the ruthenium thin film and the like according to the present invention, contamination with impurities is also suppressed, and an increase in resistance due to this is also suppressed. In the ruthenium thin film and the like according to the present invention, the average carbon concentration near the outermost surface of the thin film is reduced. Regarding the suppression of impurities in the ruthenium thin film and the like according to the present invention, to explain specifically, the average carbon concentration in the range of 10 nm to 25 nm from the outermost surface of the thin film is reduced to 0.05 atomic % or less.

もっとも、基板と薄膜との界面においては、非酸化性ガスによる成膜に起因した微量の炭素が含まれることがある。微量炭素は、基板表面(基板と薄膜との界面)でみられる。具体的には、基板表面から10nmまでの領域における平均炭素濃度が0.2原子%以上0.5原子%以下となっていることがある。この基板表面付近の炭素濃度は、基板表面から5nmまでの領域において0.2原子%以上0.5原子%以下であることがより好ましい。
但し、この炭素は、極めて微量であること及び基板の極表面付近に含まれるものであることから、薄膜全体の抵抗に及ぼす影響は少ない。
However, at the interface between the substrate and the thin film, a trace amount of carbon may be included due to film formation using a non-oxidizing gas. Trace carbon is found on the substrate surface (at the interface between the substrate and the thin film). Specifically, the average carbon concentration in a region up to 10 nm from the substrate surface may be 0.2 atomic % or more and 0.5 atomic % or less. The carbon concentration near the substrate surface is more preferably 0.2 atomic % or more and 0.5 atomic % or less in a region up to 5 nm from the substrate surface.
However, since this carbon is in an extremely small amount and is contained near the extreme surface of the substrate, it has little effect on the resistance of the entire thin film.

また、本発明に係るルテニウム薄膜等の構造的な特徴としては、表面のラフネス(表面粗さ)が低減されていることにある。本発明者等によれば、非酸化性ガスによる成膜では核形成の遅延が短く、微細な結晶を形成して表面がスムースな薄膜が形成される傾向がある。本発明で、初期段階でスムースな薄膜を形成し、その上に酸化性ガスで成膜することで、非酸化性ガスのみで形成される薄膜よりも表面粗さが低下する。薄膜の比抵抗に影響を及ぼす因子としては、表面散乱、粒界散乱、表面ラフネス等が相互に関連している。本発明に係るルテニウム薄膜等では、特に表面ラフネスの改善による低抵抗化が図られていると考察されている。こうした薄膜の表面粗さの低減は、特に、膜厚の小さい薄膜の低抵抗化に寄与することができる。 Further, a structural feature of the ruthenium thin film and the like according to the present invention is that the surface roughness (surface roughness) is reduced. According to the present inventors, when forming a film using a non-oxidizing gas, the delay in nucleation is short, and a thin film with a smooth surface by forming fine crystals tends to be formed. In the present invention, by forming a smooth thin film at an initial stage and then forming a film using an oxidizing gas on the smooth thin film, the surface roughness is lower than that of a thin film formed using only a non-oxidizing gas. Surface scattering, grain boundary scattering, surface roughness, and the like are interrelated factors that affect the specific resistance of a thin film. It is considered that the ruthenium thin film and the like according to the present invention are designed to have a low resistance, particularly by improving surface roughness. Such a reduction in the surface roughness of a thin film can particularly contribute to lowering the resistance of a thin film with a small thickness.

本発明に係るルテニウム薄膜等の膜厚に制限はない。但し、本発明のルテニウム薄膜等は、基板の酸化が抑制されていることから、基板酸化の影響を受け得る20nm以下の膜厚の薄膜において特に有用である。 There is no limit to the thickness of the ruthenium thin film or the like according to the present invention. However, since the ruthenium thin film of the present invention suppresses oxidation of the substrate, it is particularly useful for thin films with a thickness of 20 nm or less that can be affected by substrate oxidation.

以上説明したとおり、本発明に係る化学蒸着法によるルテニウム薄膜等の製造方法は、2段階の成膜工程で構成されている。本発明は、非酸化性ガス及び酸化性ガスのそれぞれのメリットを活かして、低抵抗のルテニウム薄膜等を効率的に成膜することができる。 As explained above, the method of manufacturing a ruthenium thin film or the like by chemical vapor deposition according to the present invention includes a two-step film forming process. The present invention can efficiently form a low-resistance ruthenium thin film or the like by taking advantage of the respective merits of a non-oxidizing gas and an oxidizing gas.

本願の実施形態のALD法による2段階の成膜工程を含むルテニウム薄膜の製造工程を説明する図。FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of a ruthenium thin film including a two-step film forming process using an ALD method according to an embodiment of the present application. 第1実施形態で製造した実施例1及び実施例2のルテニウム薄膜のFE-SEM写真。FE-SEM photographs of ruthenium thin films of Example 1 and Example 2 manufactured in the first embodiment. 第1実施形態で製造した実施例1、2及び比較例1のルテニウム薄膜のGI-XRDによる回折パターン。GI-XRD diffraction patterns of ruthenium thin films of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 manufactured in the first embodiment. 第1実施形態で製造した実施例1及び比較例1、2のルテニウム薄膜の深さ方向の組成分析結果を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the compositional analysis results in the depth direction of the ruthenium thin films of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured in the first embodiment. 第1実施形態で製造した実施例1、2及び比較例1、2のルテニウム薄膜の比抵抗を示すグラフ。2 is a graph showing the specific resistance of ruthenium thin films of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured in the first embodiment. 第2実施形態で製造した実施例3及び比較例3のルテニウム薄膜の膜厚と比抵抗を示すグラフ。3 is a graph showing the film thickness and specific resistance of ruthenium thin films of Example 3 and Comparative Example 3 manufactured in the second embodiment.

第1実施形態:以下、本発明における最良の実施形態について説明する。本実施形態では、プリカーサとなる有機ルテニウム化合物として、有機ルテニウム化合物αであり、配位子Lがトリメチレンメタン配位子(L10:R=水素)で配位子Xがカルボニル配位である(η-メチレン-1,3-プロパンジイル)トリカルボニルルテニウム(化4)を用い、第1成膜工程の非酸化性の反応ガスとして水素を、第2成膜工程の酸化性ガスの反応ガスとして酸素を適用し、ALD法にてルテニウム薄膜を成膜した。また、対比のため、反応ガスとして酸素のみ又は水素のみを適用する従来法である単一工程でのルテニウム薄膜の成膜を行った。 First Embodiment : The best embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, the organic ruthenium compound serving as a precursor is an organic ruthenium compound α, the ligand L 1 is a trimethylenemethane ligand (L 10 :R=hydrogen), and the ligand X is a carbonyl coordination. Using certain (η 4 -methylene-1,3-propanediyl)tricarbonylruthenium (Chemical formula 4), hydrogen was used as a non-oxidizing reaction gas in the first film-forming step, and hydrogen was used as an oxidizing gas in the second film-forming step. A ruthenium thin film was formed by ALD using oxygen as a reactive gas. For comparison, a ruthenium thin film was formed in a single step using a conventional method using only oxygen or hydrogen as a reactive gas.

プリカーサである(η-メチレン-1,3-プロパンジイル)トリカルボニルルテニウムは、以下のようにして合成した。トリカルボニル-ジクロロルテニウムダイマー50.0g(97.5mmol)をテトラヒドロフラン1700mlに懸濁し、3-クロロ-2-(クロロメチル)-1-プロペン 29.2g(231.6mmol)のテトラヒドロフラン溶液300mlを加えた。削状マグネシウム19.7g(800mmol)をゆっくりと加え、その後室温で3時間反応させた。反応混合物にメタノール5mLを加えクエンチし、溶媒を減圧留去した。得られた残渣をペンタン30mLで3回抽出し、溶媒を減圧留去した。得られたオイルを昇華精製すると、目的物として無色液体16.3g(68.3mmol)を得た(収率35%)。この有機ルテニウム化合物の合成反応は、下記のとおりである。 The precursor (η 4 -methylene-1,3-propanediyl)tricarbonylruthenium was synthesized as follows. 50.0 g (97.5 mmol) of tricarbonyl-dichlororuthenium dimer was suspended in 1700 ml of tetrahydrofuran, and 300 ml of a solution of 29.2 g (231.6 mmol) of 3-chloro-2-(chloromethyl)-1-propene in tetrahydrofuran was added. . 19.7 g (800 mmol) of magnesium chips were slowly added, and the mixture was allowed to react at room temperature for 3 hours. The reaction mixture was quenched by adding 5 mL of methanol, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The resulting residue was extracted three times with 30 mL of pentane, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained oil was purified by sublimation to obtain 16.3 g (68.3 mmol) of a colorless liquid as the target product (yield 35%). The synthesis reaction of this organic ruthenium compound is as follows.

Figure 2023178560000019
Figure 2023178560000019

[ルテニウム薄膜の成膜]
本実施形態におけるALD法によるルテニウム薄膜の製造工程のフローを図1に示す。上記で説明したように、ALD法による成膜工程は、(i)原料ガスを基板に導入する吸着工程、(ii)余剰な原料ガスを排気する原料ガスパージ工程、(iii)反応ガスを導入し薄膜を形成する反応工程、(iv)余剰な反応ガスを排気する反応ガスパージ工程で構成される。そして、これらのステップを1サイクルとして、目標の膜厚となるまで繰り返す。
[Formation of ruthenium thin film]
FIG. 1 shows the flow of the manufacturing process of a ruthenium thin film by the ALD method in this embodiment. As explained above, the film formation process using the ALD method includes (i) an adsorption step in which source gas is introduced to the substrate, (ii) a source gas purge step in which excess source gas is exhausted, and (iii) a reaction gas is introduced. It consists of a reaction step for forming a thin film, and (iv) a reaction gas purge step for exhausting excess reaction gas. These steps are then repeated as one cycle until the target film thickness is achieved.

本実施形態では、Si基板(2cm×2cm)の表面にTiN膜(厚さ20nm)を有するものを成膜用の基板としてルテニウム薄膜を成膜した。第1、第2成膜工程における成膜条件は以下のようにした。 In this embodiment, a ruthenium thin film was formed using a Si substrate (2 cm x 2 cm) having a TiN film (thickness 20 nm) on the surface as a substrate for film formation. The film forming conditions in the first and second film forming steps were as follows.

(I)第1成膜工程
(i)原料ガス導入工程
・原料加熱温度:10℃
・キャリアガス:窒素(50sccm)
・導入時間:5秒
(ii)原料ガスパージ工程
・パージガス:窒素(100sccm)
・導入時間:20秒
(iii)反応ガス導入工程
・反応ガス:水素(50sccm)
・導入時間:30秒
(iv)反応ガスパージ工程
・パージガス:窒素(100sccm)
・導入時間:10秒
(I) First film formation step (i) Raw material gas introduction step/raw material heating temperature: 10°C
・Carrier gas: Nitrogen (50sccm)
・Introduction time: 5 seconds (ii) Raw material gas purge step ・Purge gas: Nitrogen (100sccm)
・Introduction time: 20 seconds (iii) Reaction gas introduction step ・Reaction gas: Hydrogen (50 sccm)
・Introduction time: 30 seconds (iv) Reaction gas purge step ・Purge gas: Nitrogen (100sccm)
・Introduction time: 10 seconds

(II)第2成膜工程
(i)原料ガス導入工程
・原料加熱温度:10℃
・キャリアガス:窒素(50sccm)
・導入時間:10秒
(ii)原料ガスパージ工程
・パージガス:窒素(100sccm)
・導入時間:10秒
(iii)反応ガス導入工程
・反応ガス:酸素(50sccm)
・導入時間:10秒
(iv)反応ガスパージ工程
・パージガス:窒素(100sccm)
・導入時間:10秒
(II) Second film forming step (i) Raw material gas introduction step/raw material heating temperature: 10°C
・Carrier gas: Nitrogen (50sccm)
・Introduction time: 10 seconds (ii) Raw material gas purge step ・Purge gas: Nitrogen (100sccm)
・Introduction time: 10 seconds (iii) Reaction gas introduction step ・Reaction gas: Oxygen (50 sccm)
・Introduction time: 10 seconds (iv) Reaction gas purge step ・Purge gas: Nitrogen (100sccm)
・Introduction time: 10 seconds

本実施形態では、第1成膜工程(反応ガス:水素)で成膜するルテニウム薄膜の膜厚を2nm(実施例1)、4nm(実施例2)に設定した。そして、第2成膜工程(反応ガス:酸素)で最終膜厚が40nmとなるようにしてルテニウム薄膜を成膜した(実施例1:38nm成膜、実施例2:36nm成膜)。 In this embodiment, the thickness of the ruthenium thin film formed in the first film forming step (reactive gas: hydrogen) was set to 2 nm (Example 1) and 4 nm (Example 2). Then, in the second film forming step (reactive gas: oxygen), a ruthenium thin film was formed to a final film thickness of 40 nm (Example 1: 38 nm film formed, Example 2: 36 nm film formed).

また、比較例として、酸素のみ(比較例1)又は水素のみ(比較例2)を反応ガスとして1段階のALD法でルテニウム薄膜を成膜した。これらの比較例では、上記の第1、第2成膜工程と同じ条件でサイクル数を制御して40nmのルテニウム薄膜を成膜した。 Further, as a comparative example, a ruthenium thin film was formed by a one-step ALD method using only oxygen (Comparative Example 1) or only hydrogen (Comparative Example 2) as a reaction gas. In these comparative examples, a 40 nm ruthenium thin film was formed by controlling the number of cycles under the same conditions as in the first and second film forming steps described above.

図2に本実施形態の実施例1、2のルテニウム薄膜のFE-SEM(電解放出形走査電子顕微鏡)による断面写真を示す。また、図3に、実施例1、2と比較例1のルテニウム薄膜のGI-XRD(微小角入社X線回折)によるXRD回折パターンを示す。ルテニウム薄膜の結晶性に関しては、本実施形態の2段階成膜によるルテニウム薄膜は、従来の1段階成膜と同等であるといえる。このGI-XRDの結果から、各ルテニウム薄膜の結晶粒径を算出したところ、実施例1が29.3nm、実施例2が28.5nm、比較例1が32.2nmであった。第1成膜工程で水素で成膜した実施例1、2は、酸素のみで成膜した比較例1に対して粒径が小さいといえる。上述したように、非酸化性ガスによる成膜では核形成の遅延が短いことから、微細な結晶粒が迅速に形成される。実施例1、2は、そのようにして形成された微細なルテニウム結晶の上に薄膜が成長したと考えられる。そして、原子間力顕微鏡にて実施例1と比較例1の表面粗さを観測したところ、比較例1が2.0nmであったのに対し、実施例1では1.8nmに表面粗さが低減されていることが確認された。 FIG. 2 shows FE-SEM (field emission scanning electron microscope) cross-sectional photographs of the ruthenium thin films of Examples 1 and 2 of the present embodiment. Further, FIG. 3 shows XRD diffraction patterns of the ruthenium thin films of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 by GI-XRD (small angle incidence X-ray diffraction). Regarding the crystallinity of the ruthenium thin film, it can be said that the ruthenium thin film formed by the two-step film formation of this embodiment is equivalent to the conventional one-step film formation. When the crystal grain size of each ruthenium thin film was calculated from the GI-XRD results, it was 29.3 nm for Example 1, 28.5 nm for Example 2, and 32.2 nm for Comparative Example 1. It can be said that Examples 1 and 2 in which the film was formed using hydrogen in the first film forming step had smaller particle sizes than Comparative Example 1 in which the film was formed using only oxygen. As described above, since the delay in nucleation is short in film formation using a non-oxidizing gas, fine crystal grains are formed quickly. It is considered that in Examples 1 and 2, thin films were grown on the fine ruthenium crystals formed in this manner. When the surface roughness of Example 1 and Comparative Example 1 was observed using an atomic force microscope, it was found that Comparative Example 1 had a surface roughness of 2.0 nm, while Example 1 had a surface roughness of 1.8 nm. It was confirmed that it was reduced.

また、実施例1、比較例1、比較例2のルテニウム薄膜について行った、SIMS(二次イオン質量分析)による深さ方向の組成分析の結果を図4に示す。比較例2の水素のみで1段階で成膜したルテニウム薄膜は、基板界面及び膜中に炭素(C)が存在するのが確認された。比較例2の酸素のみで1段階で成膜したルテニウム薄膜の場合は、このような膜中の炭素の含有は確認されない。そして、実施例1でも膜中の炭素含有は認められていない。更に、実施例1と比較例1とを対比すると、比較例1には基板との界面における酸素(O)の存在が僅かであるが確認される。これらを参照すると、実施例1の水素と酸素による2段階の成膜によれば、基板界面における酸素の混入(基板酸化)と、膜中の炭素の混入を抑制し、高純度のルテニウム薄膜を製造することができるといえる。 Further, FIG. 4 shows the results of composition analysis in the depth direction by SIMS (secondary ion mass spectrometry) performed on the ruthenium thin films of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. In the ruthenium thin film formed in one step using only hydrogen in Comparative Example 2, it was confirmed that carbon (C) was present at the substrate interface and in the film. In the case of the ruthenium thin film formed in one step using only oxygen in Comparative Example 2, no carbon content was observed in the film. Also in Example 1, no carbon content was observed in the film. Furthermore, when comparing Example 1 and Comparative Example 1, it is confirmed that Comparative Example 1 has the presence of oxygen (O) at the interface with the substrate, although it is slight. Referring to these, the two-step film formation using hydrogen and oxygen in Example 1 suppresses the mixing of oxygen at the substrate interface (substrate oxidation) and the mixing of carbon in the film, and produces a high-purity ruthenium thin film. It can be said that it can be manufactured.

次に、実施例1、2及び比較例1、2のルテニウム薄膜の比抵抗を測定した。比抵抗の測定は4探針法にて測定した。この測定の結果を図5に示す。これらのルテニウム薄膜の中で最も比抵抗が高いのは比較例2であった。上記のとおり、非酸化性ガスである水素による成膜されたルテニウム薄膜は、炭素等の不純物が含まれており、これにより比抵抗が上昇したと考えられる。その結果として比較例1は、比較例1の酸素によるルテニウム薄膜よりも比抵抗が高くなったと考えられる。 Next, the specific resistance of the ruthenium thin films of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was measured. The specific resistance was measured using a four-probe method. The results of this measurement are shown in FIG. Comparative Example 2 had the highest specific resistance among these ruthenium thin films. As mentioned above, the ruthenium thin film formed using hydrogen, which is a non-oxidizing gas, contains impurities such as carbon, which is considered to have increased the specific resistance. As a result, Comparative Example 1 is considered to have a higher specific resistance than the ruthenium thin film made of oxygen in Comparative Example 1.

これらの比較例に対して、実施例1の2段階の成膜工程によるルテニウム薄膜は、比較例1の酸素によるルテニウム薄膜よりも比抵抗が低くなっている。第1成膜工程の水素の適用による基板の酸化の抑制と共に、第2成膜工程の酸素の適用による速やかな成膜反応と不純物放出の結果、薄膜の低抵抗化を図ることができたといえる。また、実施例2については、比較例1より比抵抗が高いが、その差はわずかであり同等レベルのものである。実施例2は、第1成膜工程での非酸化性ガスの適用によって、基板酸化によるダメージの懸念をほぼ完全に払拭できることを考慮すれば、実施例2も実施例1と同様に良好な結果といえる。この実施例2の評価については、この薄膜が比較例2の薄膜に対して明確に低比抵抗であったことからも支持できる評価である。 In contrast to these comparative examples, the ruthenium thin film formed by the two-step film forming process of Example 1 has a lower specific resistance than the ruthenium thin film formed by oxygen of Comparative Example 1. It can be said that we were able to reduce the resistance of the thin film as a result of suppressing oxidation of the substrate by applying hydrogen in the first film-forming process, and as a result of rapid film-forming reaction and impurity release due to the application of oxygen in the second film-forming process. . Furthermore, although the specific resistance of Example 2 is higher than that of Comparative Example 1, the difference is slight and is at the same level. Example 2 has good results similar to Example 1, considering that concerns about damage due to substrate oxidation can be almost completely eliminated by applying a non-oxidizing gas in the first film forming step. It can be said. The evaluation of Example 2 can be supported because this thin film clearly had a lower specific resistance than the thin film of Comparative Example 2.

第2実施形態:本実施形態では、2段階の成膜工程を適用しつつ、ルテニウム薄膜の膜厚を増大させたときの比抵抗の変化を検討した。第1実施形態と同じ条件で、第1成膜工程(反応ガス:水素)で2nmのルテニウム薄膜を成膜し、第2成膜工程(反応ガス:酸素)でルテニウム薄膜を成膜した。このとき、第2成膜工程による最終の膜厚を5nm、12nm、18nm、23nmにしてルテニウム薄膜を成膜した(実施例3)。そして、各膜厚のルテニウム薄膜について比抵抗を測定した。 Second Embodiment : In this embodiment, a two-step film forming process was applied and changes in specific resistance were studied when the thickness of the ruthenium thin film was increased. Under the same conditions as in the first embodiment, a 2 nm thin ruthenium film was formed in the first film forming step (reactive gas: hydrogen), and a ruthenium thin film was formed in the second film forming step (reactive gas: oxygen). At this time, ruthenium thin films were formed with final film thicknesses of 5 nm, 12 nm, 18 nm, and 23 nm in the second film forming step (Example 3). Then, the specific resistance of the ruthenium thin film of each thickness was measured.

また、この実施例3の比較例として、反応ガスを酸素とする1段階の成膜工程で、6nm、10nm、15nm、20nmのルテニウム薄膜を成膜し、比抵抗を測定した(比較例3)。 In addition, as a comparative example of this Example 3, 6 nm, 10 nm, 15 nm, and 20 nm ruthenium thin films were formed in a one-step film forming process using oxygen as the reaction gas, and the specific resistance was measured (Comparative Example 3) .

これらのルテニウム薄膜の比抵抗の測定結果を図6に示す。図6から、2段階の成膜工程によるルテニウム薄膜(実施例3)は、反応ガスを酸素とする1段階の成膜工程によるルテニウム薄膜(比較例3)に対して比抵抗が同等以下となることが確認される。特に、膜厚の小さい(12nm以下)の薄膜においては、2段階の成膜工程で成膜された薄膜の方が比抵抗は低い。これは、第1成膜工程での非酸化性ガスの適用による基板の酸化抑制と粒径が小さく表面粗さの低下による作用と考えられる。このような極薄のルテニウム薄膜の低抵抗化は、微小化する半導体デバイスの薄膜電極において有用になると考えられる。 The measurement results of the specific resistance of these ruthenium thin films are shown in FIG. From FIG. 6, the ruthenium thin film (Example 3) formed by a two-step film formation process has a specific resistance equal to or lower than that of the ruthenium thin film (Comparative Example 3) formed by a one-step film formation process using oxygen as the reactive gas. This is confirmed. In particular, in the case of a thin film having a small thickness (12 nm or less), a thin film formed in a two-step film forming process has a lower specific resistance. This is thought to be due to the suppression of oxidation of the substrate by the application of non-oxidizing gas in the first film forming step and the reduction in surface roughness due to the small particle size. The reduction in resistance of such ultra-thin ruthenium thin films is thought to be useful in thin film electrodes of semiconductor devices, which are becoming increasingly miniaturized.

以上のとおり、本発明に係る2段階の成膜工程によるルテニウム薄膜等の製造方法は、基板の酸化を抑制しながら高品位で低比抵抗なルテニウム薄膜等を形成することができる。本発明は、DRAM等の半導体デバイスの配線・電極材料としての使用に好適である。特に、超小型化される半導体デバイスの配線の微細化にも対応可能である。 As described above, the method for producing a ruthenium thin film or the like using a two-step film forming process according to the present invention can form a high-quality, low-resistivity ruthenium thin film or the like while suppressing oxidation of the substrate. The present invention is suitable for use as a wiring/electrode material for semiconductor devices such as DRAMs. In particular, it is possible to cope with miniaturization of wiring in ultra-miniature semiconductor devices.

Claims (7)

基板上で有機ルテニウム化合物と反応ガスとを反応させ、ルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する化学蒸着法によるルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法において、
前記反応ガスとして非酸化性ガスを導入し、基板表面上にルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する第1成膜工程と、
前記第1成膜工程による成膜後、前記反応ガスとして酸化性ガスを導入し、ルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を成膜する第2成膜工程とを含み、
前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程で導入する有機ルテニウム化合物として、下記(1)~(3)の有機ルテニウム化合物α、β、γのいずれかを適用することを特徴とするルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。
(1)有機ルテニウム化合物α
Figure 2023178560000020
(式中、配位子Lは、炭素数2以上13以下の直鎖又は分枝鎖の鎖状炭化水素基又は環状炭化水素基である。また、配位子Xは、カルボニル配位子(CO)又は下記の化2~化8の式で示されるイソシアニド配位子(L)、ピリジン配位子(L)、アミン配位子(L)、イミダゾール配位子(L)、ピリダジン配位子(L)、ピリミジン配位子(L)、ピラジン配位子(L)のいずれかである。
Figure 2023178560000021
(上記式中、イソシアニド配位子Lの置換基Rは、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、または炭素数3以上9以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上9以下のアリール基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000022
(上記式中、ピリジン配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基若しくはフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000023
(上記式中、アミン配位子Lの置換基R~Rは、それぞれ、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基である。)
Figure 2023178560000024
(上記式中、イミダゾール配位子Lの置換基R10は、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上8以下の環状アルキル基、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。置換基R11~R13は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、のいずれかである。)
Figure 2023178560000025
(上記式中、ピリダジン配位子Lの置換基R14~R17は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、水素又は炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
Figure 2023178560000026
(上記式中、ピリミジン配位子Lの置換基R18~R21は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
Figure 2023178560000027
(上記式中、ピラジン配位子Lの置換基R22~R25は、それぞれ、水素、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロアルキル基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のフルオロ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルコキシ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のシアノ基、炭素数1以上5以下の直鎖若しくは分岐鎖のニトロ基のいずれかである。)
(2)有機ルテニウム化合物β
Figure 2023178560000028
(式中、R26、R27は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、炭素数1以上4以下のアルキル基のいずれか1種である。)
(3)有機ルテニウム化合物γ
Figure 2023178560000029
(式中、配位子Lは、次式に示される(L-1)又は(L-2)のいずれかで示される配位子であり、1つの窒素原子を含む配位子である。)
Figure 2023178560000030
(式中、*は、ルテニウムに橋架け配位する原子の位置である。R28~R35は、互いに同一でも異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、炭素数1以上4以下のアルキル基のいずれか1種である。)
In a method for producing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film by a chemical vapor deposition method in which an organic ruthenium compound and a reactive gas are reacted on a substrate to form a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film,
A first film forming step of introducing a non-oxidizing gas as the reactive gas and forming a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film on the substrate surface;
After the film formation in the first film formation step, a second film formation step of introducing an oxidizing gas as the reaction gas to form a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film,
Ruthenium characterized in that any one of the following organic ruthenium compounds α, β, and γ of (1) to (3) is applied as the organic ruthenium compound introduced in the first film forming step and the second film forming step. A method for producing a thin film or a ruthenium compound thin film.
(1) Organic ruthenium compound α
Figure 2023178560000020
(In the formula, the ligand L 1 is a linear or branched chain hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group having 2 to 13 carbon atoms. Also, the ligand X is a carbonyl ligand (CO) or isocyanide ligands (L 2 ), pyridine ligands (L 3 ), amine ligands (L 4 ), imidazole ligands (L 5 ) represented by the following formulas ), a pyridazine ligand (L 6 ), a pyrimidine ligand (L 7 ), or a pyrazine ligand (L 8 ).
Figure 2023178560000021
(In the above formula, the substituent R 1 of the isocyanide ligand L 2 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, or a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms, or a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms. A straight chain or branched amino group having 1 to 8 carbon atoms, an aryl group having 6 to 9 carbon atoms, a straight chain or branched alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a straight chain or branched chain having 1 to 8 carbon atoms, (A branched cyano group, a straight or branched nitro group having 1 to 8 carbon atoms, or a straight or branched fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms.)
Figure 2023178560000022
(In the above formula, substituents R 2 to R 6 of the pyridine ligand L 3 are hydrogen, a linear or branched alkyl group or fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and 1 to 5 carbon atoms, respectively. The following straight-chain or branched fluoro groups, straight-chain or branched alkoxy groups with 1 to 5 carbon atoms, straight-chain or branched cyano groups with 1 to 5 carbon atoms, and straight-chain or branched cyano groups with 1 to 5 carbon atoms. Either a straight-chain or branched nitro group.)
Figure 2023178560000023
(In the above formula, each of the substituents R 7 to R 9 of the amine ligand L 4 is a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.)
Figure 2023178560000024
(In the above formula, the substituent R 10 of the imidazole ligand L 5 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, or a carbon number 1 Any of the above 8 or less linear or branched fluoroalkyl groups. Substituents R 11 to R 13 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and carbon atoms. Straight chain or branched amino group having 1 to 5 carbon atoms, straight chain or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, straight chain or branched cyano group having 1 to 5 carbon atoms, 1 carbon number Any of a linear or branched nitro group having 5 or more carbon atoms, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, or a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. be.)
Figure 2023178560000025
(In the above formula, substituents R 14 to R 17 of the pyridazine ligand L 6 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, hydrogen or a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms; is either a straight-chain or branched cyano group, hydrogen, or a straight-chain or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)
Figure 2023178560000026
(In the above formula, the substituents R 18 to R 21 of the pyrimidine ligand L 7 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched chain having 1 to 5 carbon atoms, or Either a branched cyano group or a straight or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)
Figure 2023178560000027
(In the above formula, substituents R 22 to R 25 of pyrazine ligand L 8 are hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, respectively. or a branched fluoroalkyl group, a linear or branched fluoro group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, a linear or branched chain having 1 to 5 carbon atoms, or Either a branched cyano group or a straight or branched nitro group having 1 to 5 carbon atoms.)
(2) Organic ruthenium compound β
Figure 2023178560000028
(In the formula, R 26 and R 27 may be the same or different, and are each one of a hydrogen atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.)
(3) Organic ruthenium compound γ
Figure 2023178560000029
(In the formula, the ligand L 9 is a ligand represented by either (L 9 -1) or (L 9 -2) shown in the following formula, and a ligand containing one nitrogen atom. )
Figure 2023178560000030
(In the formula, * is the position of the atom that bridges and coordinates to ruthenium. R 28 to R 35 may be the same or different, and each represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and (1 type)
第1成膜工程及び前記第2成膜工程で導入する有機ルテニウム化合物は、下記の有機ルテニウム化合物である請求項1記載のルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。
Figure 2023178560000031
(式中、配位子L10は、下記化13の式で示される。トリメチレンメタン系配位子である。
Figure 2023178560000032
(上記式中、トリメチレンメタン配位子L10の置換基Rは、水素、炭素数1以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基、炭素数3以上9以下の環状アルキル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルケニル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアルキニル基、炭素数2以上8以下の直鎖若しくは分岐鎖のアミノ基、炭素数6以上9以下のアリール基、のいずれかである。)
2. The method for producing a ruthenium thin film or a ruthenium compound thin film according to claim 1, wherein the organic ruthenium compound introduced in the first film forming step and the second film forming step is the following organic ruthenium compound.
Figure 2023178560000031
(In the formula, the ligand L 10 is represented by the following formula 13. It is a trimethylenemethane-based ligand.
Figure 2023178560000032
(In the above formula, the substituent R of trimethylenemethane ligand L 10 is hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 9 carbon atoms, and a carbon number Straight chain or branched alkenyl group with 2 to 8 carbon atoms, straight chain or branched alkynyl group with 2 to 8 carbon atoms, straight chain or branched chain amino group with 2 to 8 carbon atoms, 6 or more carbon atoms 9 or less aryl group.)
第1成膜工程の非酸化性ガスは、水素、水蒸気、アンモニア、有機アミン類、ヒドラジン誘導体のいずれかである請求項1又は請求項2記載のルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。 3. The method for producing a ruthenium thin film or ruthenium compound thin film according to claim 1 or 2, wherein the non-oxidizing gas in the first film forming step is hydrogen, water vapor, ammonia, organic amines, or hydrazine derivatives. 第2成膜工程の酸化性ガスは、酸素、オゾンのいずれかである請求項1又は請求項2記載のルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。 3. The method for producing a ruthenium thin film or ruthenium compound thin film according to claim 1 or 2, wherein the oxidizing gas in the second film forming step is either oxygen or ozone. 第2成膜工程の酸化性ガスは、酸素、オゾンのいずれかである請求項3記載のルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。 4. The method for producing a ruthenium thin film or ruthenium compound thin film according to claim 3, wherein the oxidizing gas in the second film forming step is either oxygen or ozone. 第1成膜工程でルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜を2nm以上5nm以下の範囲の膜厚で成膜する請求項1又は請求項2記載のルテニウム薄膜又はルテニウム化合物薄膜の製造方法。 3. The method for producing a ruthenium thin film or ruthenium compound thin film according to claim 1 or 2, wherein the ruthenium thin film or ruthenium compound thin film is formed in the first film forming step to a thickness in the range of 2 nm or more and 5 nm or less. 基板上に形成されたルテニウム又はルテニウム化合物からなる薄膜であって、
前記薄膜は、前記基板との界面に酸素を含まないものである薄膜。
A thin film made of ruthenium or a ruthenium compound formed on a substrate,
The thin film is a thin film that does not contain oxygen at the interface with the substrate.
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